发射台自动化系统抗干扰建设分析

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摘要：随着自动化在我国广播电视领域的不断发展，自动化系统在发射台的应用越来越广泛，由于发射台恶劣的电磁环境，直接影响自动化系统在发射台的稳定运行，自动化系统的抗干扰能力成为系统是否合格的关键指标。本文从干扰来源、自动化系统设备设计、自动化方案设计、施工技术等方面，论述如何建设一套抗干扰能力强的广播电视发射台自动化系统。

关键词：发射台；自动化；抗干扰

广播电视发射台中的发射机自动化系统包含信源监测、信源切换、开路信号接收、码流分析、节目质量监测、发射机参数采集与控制、天馈线倒换控制、安防监控、电力监控、环境监测、多画面监测等多个子系统，系统中包含模拟信号采集设备、嵌入式信号处理硬件设备、计算机系统等，各设备、系统间需要各种信号连接，需要连接被控设备发射机，需要从被监测天馈线、节目传输设备等之间进行接触或非接触采样，这些过程都有可能受到发射机、天馈线高频信号的干扰，并把干扰传输到自动化系统中，从而影响发射台自动化系统的正常工作，给系统的运行带来安全隐患。为保证自动化系统能安全、稳定运行，就需要系统建设时全面分析干扰来源，在设备设计、方案设计、施工时有针对性地采用特定抗干扰技术及方法消除或降低干扰对系统的影响，进而确保最终建成的发射台自动化系统在运行中有较高可靠性和稳定性，充分保证发射台安全播出。

1广播电视发射台电磁干扰的主要来源

由于广播电视发射台多为高功率发射设备，发射机发射功率从几千瓦到几百千瓦不等，发射频率从300kHz到1GHz。对大功率发射台，天线发射信号是对台内技术区自动化控制设备的主要干扰。发射台天线具备高大天线，雷电对台内设备影响很大。具体分析发射台干扰主要来源有：1.1电磁波干扰。发射机是发射台的核心设备，也是发射台自动化系统的主要被控对象。发射机的功能是把广播电视节目信号调制在高频载波上，并产生高功率高频电能输给馈线，通过馈线把发射机发出的高频功率信号输送到发射天线，天线将馈线传来的电磁波转换为自由空间传播的电磁波发射到覆盖目标区域。根据发射台设计，理想馈线不向外辐射能量，天线定向发射电磁波，不会对台内自动化设备产生影响，但实际都会存在不同程度的电磁波泄露，形成发射台内高频信号的电磁干扰源。特别是在发射机旁边、传输馈线两侧都存在强干扰电磁场，处在干扰电磁场内的自动化设备金属外壳、信号传输导线会不同程度产生感应电动势，进而形成电磁波脉冲干扰信号，自动化设备的电子元器都可能受到电磁波脉冲信号干扰。发射机功率越大，这些干扰脉冲的幅度越大，干扰导致控制设备产生误动作或失灵、计算机存储丢失、与读写代码错误等事件发生概率提高，从而导致自动化系统故障概率也越高。1.2雷电干扰。由于发射台多处在地势较高或周边空旷区域，且发射天线高大，特别容易受到雷电影响。雷电一般分直击雷、电磁脉冲、球形雷、云闪四种。对发射台自动化系统形成干扰的主要是由直击雷、电磁脉冲、球形雷，产生的静电感应和磁感应。根据发射台建设标准，发射天线都有强大的防雷系统，防雷系统可以泄放掉雷电电流，但雷电的静电感应和磁感应会严重影响发射台自动控制设备。其干扰主要通过干扰供电系统从而干扰自动化设备和直接干扰自动化设备两种形式。1.2.1雷电对发射台自动化供电系统的干扰。供电系统是发射台自动化系统运行的基础，如果供电系统受到干扰，干扰信号会通过电源进入自动化设备。按照我国发射台建设相关标准，发射台的供电需从不同方向的两路市电引入，两路市电互为主、备，如果感应雷直接或间接击到其中一路市电电网时，都有可能在发射台供电网络线路上产生干扰过电压电波，过电压电波会瞬间通过供电线路进入室内交流或直流电源系统，干扰电波进而以干扰脉冲信号的形式侵入自动化系统设备。小幅度的干扰脉冲信号携带能量较小可瞬间导致设备运行紊乱，大幅度干扰脉冲信号如果持续时间长，携带能量大，可能直接烧毁设备上的脆弱元件，从而导致设备损坏。1.2.2雷电对发射台自动化设备的直接干扰。一般，雷雨云在形成过程中会积累一定数量的正电荷或负电荷，如果这些电荷得不到及时释放，就会在雷雨云附近形成静电场，积累电荷越多，静电场越强。在带电雷雨云所覆盖范围内的自动化设备金属壳体上就会产生大量与雷雨云携带相反极性的电荷，进而在设备上形成静电电压。当雷雨云消失时如果这些设备接地不良或没有正确接地，设备机壳电荷不能从地线有效释放电荷则设备上的电荷可能以电弧、脉冲电流的形式通过设备内部电路或元器件释放，从而导致自动化设备运行紊乱或设备损坏。1.3设备输入输出接口干扰。自动化系统输入输出信号采集分为模拟信号采集和数字信号采集，在信号采集过程如果有干扰信号进入采样接口，模拟采样信号可能会采集偏高或偏低的模拟量，从而影响自动化系统对模拟量的误判导致系统发生错误操作。当数字信号受干扰时，可能引起传输01错误，导致通信失败，严重导致系统误操作。1.4电源系统干扰。一般由于发射台耗电量较大，其供电系统也比较庞大。发射台多为分期建设完成，经过多次增容，台内输电线缆多，接地方式不统一。由于发射机发射信号的特性，发射机正常工作过程中发射功率会随发射的广播或电视信号的特性发生较大功率波动。上述因素都有可能在发射台电力设备、线缆周边产生瞬间或持久变化不定的强电磁场，进而形成不同频段的电磁干扰信号，这些电磁干扰会在电力线缆中以干扰脉冲波形式传播，或在自动化设备金属外壳上形成瞬间电压。电力线缆中的干扰脉冲波可以通过电源系统进入自动化设备干扰设备运行，设备金属外壳上瞬间电压在设备壳体地线接触不良时则会直接干扰自动化设备运行。

2抗干扰措施

基于上述对发射台自动化系统干扰源的分析，在发射台自动化系统建设中必须从自动化系统设备设计、自动化系统方案设计、施工技术三方面采取抗干扰措施。2.1自动化系统设备设计抗干扰。2.1.1硬件抗干扰设计。发射台自动化系统设备在设计阶段对信号输入输出接口增加雷击浪涌保护，输入输出信号使用合理光耦隔离。对输入信号根据信号特性采取滤波方式。设计电路前对被采集信号进行频带预测，根据被采集信号的实际频带设计带通滤波器，将非采集信号频段外的信号过滤掉；对采用数模转换采集的数字信号，先根据信号的频率特性选用合适的数字滤波算法进行数字滤波处理，再传输给后继处理单元。在设计线路板时，重视抗干扰设计，多采用多层电路板设计技术。电路设计遵守下述原则：信号线布置时做到弱信号和强信号分开布置、分开接地，模拟信号与数字信号分开布置、分开接地，数据总线与电源总线分开布置，多层电路单独敷设接地层与电源层。元器件布置时功率器件远离弱信号器件，敏感器件、大功率器件、强辐射器件单独分区布置，必要时对每个分区进行单独屏蔽处理，特别对敏感器件、模块先单独做电磁屏蔽处理，整机再进行电磁屏蔽。在器件优先选用抗干扰性能强的工业级元件、自带抗干扰单元原件。设计完成后对整体电路做抗干扰模拟计算。在通信方式上采用差分平衡式数据传输模式或其他已经验证抗干扰性能强的传输模式，数据传输前进行冗余、纠错、容错、校验处理，数据接收后先进行纠错和校验，对校验不通过数据进行重新传输，传输接口使用光模式或光隔离。设备之间的接口尽可能使用光接口。由于光纤抗电磁干扰能力强，且近年光器件价格大幅下降，因此，使用光接口在提高传输可靠性的同时也降低了设备开发成本。设备电源部分增加多级滤波元器件。电源是电子设备运行的基础，电源部分又是非常容易受电磁干扰的设备模块，特别是220V转化为设备使用的低压直流电的过程中特别容易引入干扰信号，如果在电源输入级根据发射台干扰电磁波特性增加多级滤波器，可以有效过滤电源输入干扰，消除或降低电源干扰对设备电路干扰的效果。2.1.2软件抗干扰设计。发射台自动化系统硬件多采样嵌入式系统设计，嵌入式软件抗干扰是硬件设备抗干扰的关键，在软件设计上可使用下述方法。2.1.2.1对模拟输入信号采用数字滤波法数字滤波技术是常用的模拟信号采样软件抗干扰技术的一种。对采用数模转换采集的数字信号，先根据信号的频率特性选用合适的数字滤波算法进行数字滤波处理后再传输给后继处理单元；对模拟信号数字化处理中，通过高速采样、多次采样判决的手段，对判决认为是干扰的采集数据直接剔除。剩余数据利用数字滤波技术，剔除模拟信号的干扰脉冲。一般简单滤波方法有平均值滤波、中值滤波、限幅滤波和惯性滤波，复杂滤波有傅里叶变换滤波，也可以在时域和频域同时进行处理。在实际应用中可根据处理器的能力和抗干扰的要求视具体情况采用其中一种或多种方式。2.1.2.2对数字输入信号采用重复检测法输入信号干扰是一种作用于数字信号传递的一种常见干扰，作用时间较短，干扰较为集中。当遇到这种干扰时，使用硬件抗干扰技术不能有效去除干扰，需要使用输入信号重复检测的方法。对数字信号通过多次采集取表决值，或多次采样完全保持一致时，才能确保采集生效。2.1.2.3对数据传输信号采用协议校验法自动化系统硬件设备具有较多的设备，每个设备内部一般由多个模块组成，设备之间、模块之间都有数据和指令传输，为避免传输过程中受干扰发生错误，数据传输过程中把数据打包并附加校验码，接收方收到数据后先进行校验码检测，如果校验码检测无误后再确认收到数据，否则进行重传，从而保证数据传输的可靠性。2.1.2.4软件编制采用拦截与“看门狗”技术当干扰进入嵌入式系统内部的CPU或数据存储区域时，可能使处理器数据、程序指针发生错误，从而使程序进入不可预测段或进入“死循环”，从而造成嵌入式系统程序运行混乱，可能造成设备的错乱或系统“死机”，进而导致系统彻底瘫痪。解决此类问题一般采用软件拦截和“看门狗”技术，软件拦截也称软件陷阱，一般在嵌入式程序段中插入拦截代码（陷阱代码），拦截代码在程序正常时不运行，当系统受到干扰后程序指针可能跳入到拦截代码段，拦截代码根据程序状态寄存器把程序指引到正确位置或直接让系统复位；“看门狗”一般解决程序进入死循环问题，嵌入式系统一般配置硬件计时器，当程序正常运行时必须定时对特定计时器清零，当程序进入死循环后无法对该计时器清零从而导致计时器中断触发计时器中断程序，计时器中断程序根据程序状态寄存器把程序指引到正确位置或直接让系统复位。也可以根据设备的重要性采取多“看门狗”的方法。软件拦截与“看门狗”技术从软件上对电子设备干扰发生后进行纠正，确保电子设备能够实现有序、稳定运转。软件抗干扰具有硬件少投入或不投入，后期可根据使用情况进行软件升级的优点。2.2系统技术方案抗干扰。要做到发射台自动化系统具有较强的抗干扰能力，在系统技术方案设计时要注重下述原则：2.2.1严格进行防雷设计。严格按照《建筑物电子信息系统防雷技术规范》进行系统防雷设计，雷电干扰是发射台自动化系统的主要干扰源，根据该规范要求设计必须做到：自动化系统必须采取等电位连接与接地保护措施；自动化系统关键设备除需要进行等电位连接接地外还需做好电磁屏蔽、浪涌保护；必要时对自动化机柜做独立屏蔽处理。2.2.2多使用光缆、光纤传输信号。对超过一定长度的线缆，或经过强干扰源的信号线缆在技术成熟，成本可接受的前提下优先使用光纤传输。由于光纤的特殊物理特性，其传输的光信号不受电磁场干扰。使用光纤传输信号可有效抵御发射台发射机、天馈线的强电磁干扰。对不能使用光缆光纤的信号线使用高效屏蔽线缆。2.2.3冗余设计对核心设备采用双机热备份方式，即一主一从，当主设备发生故障时，可以启动从设备。从设备可以和主设备一致，也可以根据资金情况降低从设备性能，当发生强干扰时启动从设备，干扰故障排除后还原到主设备。2.3施工技术抗干扰。施工线缆选用优质多层屏蔽线缆，线缆敷设前进行线缆屏蔽效果检测，检测不合格的线缆不能使用在施工中；施工过程中强电线缆、大信号线缆、小信号电缆分开进行敷设，并保证合理间距；不同信号类型线缆使用独立金属套管或单独金属线槽隔离；施工时电缆尽可能远离发射机、天馈线等强干扰源，无法避免时强化屏蔽和接地措施。施工过程对接地电阻尽可能达到最佳值，屏蔽电缆、光缆敷设时确保线缆屏蔽层不被损坏。接头处保证屏蔽层焊接良好。施工时自动化系统设备的接地端子与发射台地网焊接在一起，关键设备的通信线路屏蔽网间隔5～10m设置一个接地点，模拟信号采集线尽可能走直线，且与强干扰源保持足够距离。

3结语

由于广播电视发射台站恶劣的电磁环境，发射台自动化系统在建设过程中必须从系统设备设计、方案设计、施工技术等多方面综合考虑。特殊发射台自动化系统还需要具体分析可能存在的干扰源，制定特定抗干扰方案，必要时对设备和软件进行可抗干扰定制和测评，对建设方案进行抗干扰专项评估，在系统验收时进行模拟干扰测试，确保系统在正式运行中最大限度抗击抑制干扰，保证广播发射台站安全稳定运行，推进了我国广播电视行业的发展。

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作者:刘卫宏 单位:中广电广播电影电视设计研究院